2020 Fiscal Year Research-status Report
半導体レーザー励起ジスプロシウム中赤外レーザーの開発
| Project/Area Number |
20K05374
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
|---|
Principal Investigator |
上原 日和 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (20725329)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 広帯域光源 / 赤外光源 / 中赤外ファイバーレーザー / 光ファイバーセンサー / 赤外式センサー |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、小型で安価な半導体レーザー（LD）による励起が可能なジスプロシウム系中赤外レーザー光源を開発することである。
令和2年度、ジスプロシウムのLD励起を実現するため、エルビウムとジスプロシウムを共添加したフッ化物ガラス材料を新たに開発し、バルク試料を用いて添加濃度の最適化を行った。開発した材料から成るダブルクラッド型フッ化物ガラス光ファイバーを新たに設計、開発した。ファイバー中でErからDyへのエネルギー移動が効率的に誘起され、従来は困難であった波長976 nmのLDによるジスプロシウムの励起に成功した。
続いて、この光ファイバーを利得媒質利用したLD励起の自然放射増幅（ASE）光源を構築した。この光源では、最適化長さ0.5 mのダブルクラッドZBLANファイバーを、安価でマルチ横モードの976 nm LDを用いて第一クラッド層励起しており、極めてシンプルかつコンパクトな装置構成となっている。波長2.5～3.7 μmに亘る極めて広帯域なASE出力が得られており、出力は最大で3 mWであり、中赤外波長であることを考慮すると、十分に高輝度といえる。ビーム品質の指標となるM2は1.1~1.3と良好であり、高効率なシングルモードファイバー結合が可能である。本光源の波長領域には、多くのガス分子の吸収線が存在しており、さらに波長3～5 μmは、大気中の光の減衰が小さい「大気の窓」に該当するため、ガスセンシングに有用な光源といえる。
研究代表者は、高速で高感度な環境モニタリングを可能にする赤外光ファイバーセンサーの実現を目指しており、本事業で開発したASE光源の利用が大いに期待される。そのため、本技術を特許出願したのち、Scientific Reports誌にて論文化した。また、核融合科学研究所を発信源としたプレスリリースをおこない、本研究成果を広く一般に公開した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
すでにLD励起ジスプロシウム系中赤外レーザー（ASE光源）を実証しており、当初の計画よりも順調に進展している。加えて、ジスプロシウム添加フッ化カルシウム媒質の開発にも成功し、論文化しており、今後の進展も見込まれる。
また、申請時は、当該材料を用いて①ファイバーレーザーと②ASE光源の2種類の光源を開発する計画であった。いち早く①ファイバーレーザーの構築を試みたが、利得が低い等の原因で、レーザーの発振には至らなかった。開発した②ASE光源の出力・波長・ビーム特性が想定よりも良好であり、高い学術インパクトと応用可能性が期待できたため、ASE光源の開発に焦点を絞って研究を進めた次第である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、これまでに開発した中赤外ASE光源の最適化をおこなうとともに、これを利用したセンサーデバイスを実証する。具体的には、フッ化物光ファイバーから成る光ファイバーセンサーでの赤外ガスセンシングを試みる予定である。
また、現在開発を進めているジスプロシウム添加フッ化カルシウムセラミックス媒質のレーザー発振実証を目指す。
|
| Causes of Carryover |
コロナの影響で旅費の支出が想定を下回ったため。
今年度は、計画通り、半導体レーザー一式、ファイバーステージ等の設備を購入し、当初の予定通りに執行予定である。
|
